EP3122511A1 - Verfahren und vorrichtung zum laserstrahlschneiden - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum laserstrahlschneiden

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Publication number
EP3122511A1
EP3122511A1 EP15707649.8A EP15707649A EP3122511A1 EP 3122511 A1 EP3122511 A1 EP 3122511A1 EP 15707649 A EP15707649 A EP 15707649A EP 3122511 A1 EP3122511 A1 EP 3122511A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser beam
cutting
workpiece
cutting gas
scanner
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15707649.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian OEFELE
Christian Roos
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP3122511A1 publication Critical patent/EP3122511A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
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    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0025—Means for supplying energy to the end effector
    • B25J19/0029—Means for supplying energy to the end effector arranged within the different robot elements
    • B25J19/0037—Means for supplying energy to the end effector arranged within the different robot elements comprising a light beam pathway, e.g. laser
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B25J19/021—Optical sensing devices
    • B25J19/022—Optical sensing devices using lasers

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for
  • Laser beam cutting in particular for laser beam cutting using a scanner-based remote laser beam welding apparatus.
  • Scanner-based remote laser beam devices have scanner optics for beam deflection.
  • the scanner optics directs the laser beam via highly dynamically adjustable mirrors (or via a two-axis adjustable mirror) within the working range of the scanner optics.
  • the scanner optics comprise beam shaping means for focusing the laser beam, e.g. a plan field optics or an optical system with translationally movable lens.
  • both can be welded and cut with a laser beam.
  • these two methods make different demands on the parameters of the laser beam provided.
  • cutting processes require laser beams of significantly higher beam quality.
  • higher power density smaller laser beams are used
  • Focus diameter and higher depth of field used than for welding are implemented by the system by the use of beam guiding and shaping means, which are optimized for the respective requirements, such as.
  • Laser beam sources with suitable wavelengths preferably C02 laser.
  • the object of the invention is achieved by a method for laser beam cutting of a workpiece in which a laser beam is directed onto the workpiece by means of a scanner-based remote laser beam welding device and generates a molten bath at a processing point.
  • a cutting gas stream is directed to the processing site for blowing out the molten material from the processing site.
  • the laser beam provided by the remote laser beam welding apparatus is designed for welding requirements.
  • the laser beam can preferably be used for applications in body construction, e.g. have a focus diameter of 600 microns ⁇ 200 microns when using a solid state laser, diode or C02 laser.
  • the cutting process is a laser beam fusion cutting.
  • the laser beam of the remote laser beam welding apparatus generates in the workpiece
  • the laser beam causes the formation of a vapor capillary in the workpiece, which is surrounded by molten bath similar to the deep welding.
  • the method according to the invention is now prevented by the use of the cutting gas flow that the molten material solidifies behind the laser beam again. Rather, the molten material is blown out and a cutting joint or cutting notch is formed in the workpiece. Due to the relative movement between the processing point and the workpiece, the cutting groove or notch moves through the workpiece.
  • the relative movement between the processing point and the workpiece can be realized by a movement of the workpiece or by a movement of the laser beam and the cutting gas flow or by a combined movement of both the workpiece and the laser beam and the cutting gas flow.
  • the relative movement can be determined by a movement of the scanner optics and the
  • the cutting contour may have a web-shaped course, e.g. straight or winding tracks.
  • the cutting contour may also be a closed structure, such as e.g. be a circle, quadrilateral or polygonal or any other geometric figure.
  • Several cutting contours may also be formed in the workpiece, e.g. may be spatially spaced or adjacent to each other.
  • the workpiece may consist of a single component or comprise a plurality of components connected to an assembly.
  • the components may e.g. Be sheets, three-dimensional moldings or profiles. In particular, it may be vehicle body components.
  • the components or at least one component can e.g. consist of a metal or a metal alloy, such as e.g.
  • the components may e.g. have a thickness in the range of 0.5 mm to 4 mm, preferably in the range of 0.7 mm to 1, 5 mm.
  • the laser beam can be positioned by means of the scanner optics for cutting gas flow and for the duration of the cutting process, the scanner axes can be made rigid.
  • the laser beam is eg
  • the laser beam between 0 and 5 degrees with respect to the perpendicular to the
  • the discharge of the molten material from the processing station can be improved by supplying the cutting gas stream sluggishly.
  • the cutting gas flow may be at an angle to the incident laser beam in the range of greater than 0 degrees to a maximum of 45 degrees, preferably in the range of 5 degrees to 45 degrees.
  • the cutting gas thus pushes the melt back down out of the kerf, whereby the quality of the
  • Cutting edges can be improved.
  • the cutting gas e.g. Compressed air or an inert gas, e.g. Nitrogen, alternatively, other gases may be used.
  • the cutting gas may be e.g. at a pressure of 300 kPa or more, preferably at a pressure of 300 kPa to 3000 kPa, or from 500 kPa to 2000 kPa, to the processing station.
  • the movement of the machining point relative to the workpiece is preferably effected by means of a multi-axis industrial robot, e.g. a gantry robot or articulated robot with e.g. five, six or more axes.
  • a multi-axis industrial robot e.g. a gantry robot or articulated robot with e.g. five, six or more axes.
  • the inventive device for laser beam cutting has a scanner-based remote laser beam welding device, the at least one laser source, a beam guiding device, and a scanner optics for
  • Positioning and focusing of a laser beam on a processing point of a workpiece includes. Furthermore, the device for Laser cutting a cutting gas nozzle, which is set up for
  • the scanner-based remote laser beam welding apparatus is configured to provide a laser beam optimized for welding.
  • the laser beam generated by the laser source is coupled into the scanner optics via the beam guiding device, which may have one or more optical fibers and / or a mirror system depending on the laser source used.
  • the beam shaping and focusing takes place, as well as the positioning of the laser beam on the workpiece.
  • the remote laser beam welding apparatus is designed for welding the workpiece.
  • the scanner optics and the beam guiding device are set up accordingly to provide a laser beam suitable for this application.
  • Cutting gas flow directed through the cutting gas nozzle to the processing site.
  • the cutting gas stream drives or blows the molten material generated by the laser beam from the processing point.
  • the cutting gas nozzle is e.g. via a gas supply line with a
  • the cutting gas nozzle is arranged in the working field of the scanner optics.
  • the cutting gas nozzle can be arranged both close to the workpiece to reduce the necessary cutting gas volume flow, as well as be arranged at an acute angle to the laser beam, whereby the
  • Blowout conditions of the melt can be improved.
  • An arrangement of the cutting gas nozzle optimized in terms of gas consumption results if the outlet opening of the cutting gas nozzle is arranged in a range of 1 cm to 3 cm apart from the processing location.
  • the apparatus may further comprise a multi-axis industrial robot, e.g. a gantry robot or a Gelenkarmroboter, on which the scanner optics is arranged.
  • a multi-axis industrial robot e.g. a gantry robot or a Gelenkarmroboter, on which the scanner optics is arranged.
  • the articulated arm robot has five, six or more axes.
  • the multi-axis industrial robot allows additional
  • scanner optics Movements of the scanner optics and thus greater freedom of movement during workpiece machining, especially in cutting contour processing. If the cutting gas nozzle is arranged stationary relative to the scanner optics, then scanner optics and cutting gas nozzle are preferably moved together by the industrial robot.
  • the cutting gas nozzle and the scanner optics are arranged stationary relative to each other.
  • Scanner optics attached or cutting gas nozzle and scanner optics can be attached to a common bracket. This allows a particularly simple movement of the cutting gas nozzle along the cutting contour.
  • the cutting gas nozzle and scanner optics may be co-located on the industrial robot, e.g. be attached to the same hand axis.
  • the cutting gas nozzle may be formed around the laser beam so that the cutting gas flow exits around the laser beam.
  • the cutting gas nozzle may be formed around the laser beam so that the cutting gas flow exits around the laser beam.
  • Cutting gas nozzle to be arranged next to the laser beam.
  • the cutting gas nozzle is arranged in the cutting direction in front of the laser beam.
  • the cutting gas stream is preferably guided sluggishly to the laser beam, so that the cutting gas stream can blow out the melt counter to the cutting direction.
  • the longitudinal axis of the cutting gas nozzle may be arranged at an angle to the longitudinal axis of the laser beam impinging on the workpiece, which is in a range of more than 0 degrees and at most 45 degrees, preferably in a range of 15 degrees to 45 degrees.
  • the device can have a control device that is set up to rigidly set the scanner axes during the cutting process.
  • the laser beam during the cutting process relative be arranged stationarily to the cutting gas stream, resulting in particularly consistent conditions at the processing site.
  • Control device may preferably also control the laser source and focusing optics and the movement of the industrial robot. Likewise, the cutting gas supply can be controlled by the control device.
  • the laser source preferably has a solid-state laser, in particular a disk or fiber laser, which results in a low reflection of the radiation on metallic components and an improved energy input.
  • Beam guiding device preferably has one or more laser light cables. These allow flexible guidance of the laser light to the scanner optics.
  • the device according to the invention is also suitable for welding and can be used to form a weld in the workpiece.
  • the cutting gas nozzle can be switched out of operation for the duration of the weld.
  • the cutting gas nozzle can be dismantled, this may be e.g. releasably attached to the device or to the scanner optics.
  • Laser beam cutting provided.
  • the cutting gas jet is over the
  • Scanner axes are set rigid.
  • the cutting movement can be realized via the six axes of a robot system.
  • the scanner optics of the remote laser beam welding apparatus can be used. Except for the cutting gas nozzle no additional system technology is necessary. A combination of cutting and welding is possible without further additional effort. Thus, a generation of variants without special complex special system technology and without additional cost and without additional space requirement is possible.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a device according to the invention 0 according to one embodiment.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the scanner optics with a cutting gas nozzle of the device from FIG. 1 arranged thereon.
  • the apparatus 10 comprises a remote laser beam welding apparatus having a laser source 00 with a solid-state laser.
  • the laser radiation generated by the laser source 00 is guided by means of a beam guiding device 1 10 in the form of one or more optical fibers to a scanner optics 120 and coupled there.
  • the scanner optics 120 includes mirrors, not shown, for steering the
  • the laser beam L is directed onto the workpiece 200 and focused.
  • the scanner optics 120 is arranged on the hand axis of an articulated arm robot 130.
  • Articulated arm robot 130 has six axes of movement, indicated by the double arrows in FIG. 1.
  • scanner optics 120 can be guided over a workpiece 200.
  • the workpiece 200 is on a
  • a cutting gas nozzle 140 is attached to the scanner optics 120 by means of a holder 150.
  • the cutting gas nozzle 140 is connected to a gas supply device 170 via a gas line 160. From the cutting gas nozzle 140, a cutting gas stream S impinges on the workpiece 200 at a processing point 220.
  • the laser beam L provided by the remote welding apparatus is also applied to the Machining point 220 directed on the workpiece 200.
  • the Machining point 220 directed on the workpiece 200.
  • the laser beam causes the formation of a
  • the cutting gas stream S blows the molten material from the processing point 220, so that a cutting groove or cutting notch in the workpiece is formed.
  • the scanner axes of the scanner optics 120 are set rigidly. This can be done by a control device 180 of the remote laser beam welding device, which can also control or regulate, for example, the movements of the robot 30 and / or the laser source 00.
  • Laser beam L and cutting gas flow S are then arranged stationary relative to each other.
  • Scanner optics 120 along with cutting gas nozzle 140 of the robot 130 over the workpiece 200 moves.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the scanner optics 120 with a cutting gas nozzle 140 attached thereto.
  • the cutting gas nozzle 140 is arranged within the working field 122 of the scanner optics 120.
  • the laser beam can thus hit the workpiece at an angle close to 90 degrees, and at the same time the cutting gas nozzle can be arranged in close proximity to the machining point 220.
  • the laser beam L can not be positioned perpendicular to the workpiece to avoid a back reflection, but can be inclined by an angle ⁇ relative to the vertical.
  • the angle ⁇ is preferably in a range between 0 and 5 degrees.
  • Cutting gas nozzle 140 arranged sluggish.
  • the cutting gas flow S is arranged at an angle ⁇ in the range of greater than 0 degrees to 45 degrees to the laser beam L.
  • the cutting gas stream may be separated from the control device of the remote Laser beam welding device to be controlled or alternatively by a separate control device.
  • the embodiment is not to scale and not limiting.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden eines Werkstücks bei dem ein Laserstrahl (L) mittels einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung auf das Werkstück (200) gerichtet wird und ein Schmelzbad an einer Bearbeitungsstelle (220) erzeugt, ein Schneidgasstrom (S) auf die Bearbeitungsstelle (220) gerichtet wird zum Ausblasen von schmelzflüssigem Material aus der Bearbeitungsstelle (220) und eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstelle (220) und Werkstück (200) entlang einer Schneidkontur erfolgt sowie eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Laserstrahlschneiden, insbesondere zum Laserstrahlschneiden unter Verwendung einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung.
Beim Remote-Laserstrahlbearbeiten wird ein Laserstrahl mit großem
Arbeitsabstand auf ein Werkstück gerichtet. Typischerweise beträgt der
Arbeitsabstand zwischen Werkstückoberfläche und Austrittspunkt des Laserstrahls aus der Optik beim Remote-Laserstrahlbearbeiten mehr als 300 mm und kann z.B. bis zu 1600 mm betragen. Scannerbasierte Remote-Laserstrahlvorrichtungen verfügen über eine Scanneroptik zur Strahlablenkung. Die Scanneroptik lenkt den Laserstrahl über hochdynamisch verstellbare Spiegel (oder über einen um zwei Achsen verstellbaren Spiegel) innerhalb des Arbeitsbereichs der Scanneroptik. Weiterhin weist die Scanneroptik Strahlformungsmittel auf zur Fokussierung des Laserstrahls, z.B. eine Planfeldoptik oder ein Optiksystem mit translatorisch beweglicher Linse.
Grundsätzlich kann mit einem Laserstrahl sowohl geschweißt als auch geschnitten werden. Jedoch stellen diese beiden Verfahren unterschiedliche Anforderungen an die Parameter des bereitgestellten Laserstrahls. So erfordern Schneidprozesse Laserstrahlen von deutlich höherer Strahlqualität. Beispielsweise werden zum Schneiden Laserstrahlen mit höherer Leistungsdichte, kleinerem
Fokusdurchmesser und höherer Schärfentiefe eingesetzt als zum Schweißen. Diese Anforderungen werden anlagenseitig umgesetzt durch die Verwendung von Strahlführungs- und formungsmittel, die auf die jeweiligen Anforderungen optimiert sind, wie z.B. Laserlichtleitungen mit geeignetem Durchmesser, Optiken mit entsprechenden Brennweiten(-bereichen) und integrierter Gasdüse und
Laserstrahlquellen mit geeigneten Wellenlängen, vorzugsweise C02-Laser.
In der Materialbearbeitung ist es jedoch häufig notwendig, sowohl einen Schneidais auch einen Schwei ßprozess an einem Werkstück vornehmen zu können.
Hierzu werden bislang getrennte Vorrichtungen, eine Schweißvorrichtung und eine Schneidvorrichtung, verwendet oder die Strahlführungs- und/oder Strahlformungselemente der Vorrichtung müssen je nach Bearbeitungsart ausgetauscht werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, womit mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine Kombination von Remote-Laserstrahlschweißen und Laserstrahlschneiden möglich ist.
Insbesondere soll eine Kombination von Remote-Laserstrahlschweißen und Laserstrahlschneiden möglich sein ohne zusätzliche teure Komponenten und Sondersystemtechnik sowie ein schneller Wechsel zwischen beiden Verfahren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 8.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden eines Werkstücks bei dem ein Laserstrahl mittels einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung auf das Werkstück gerichtet wird und ein Schmelzbad an einer Bearbeitungsstelle erzeugt. Ein Schneidgasstrom wird auf die Bearbeitungsstelle gerichtet zum Ausblasen des schmelzflüssigen Materials aus der Bearbeitungsstelle. Es erfolgt eine
Relativbewegung zwischen der Bearbeitungsstelle und dem Werkstück entlang einer Schneidkontur.
Der von der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung bereitgestellte Laserstrahl ist für die Anforderungen beim Schweißen ausgelegt. So kann der Laserstrahl für Anwendungen im Karrosseriebau vorzugsweise z.B. einen Fokusdurchmesser von 600 Mikrometer ± 200 Mikrometer bei Verwendung eines Festkörperlasers, Dioden- oder C02-Lasers aufweisen.
Der Schneidprozess ist ein Laserstrahlschmelzschneiden. Der Laserstrahl der Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung erzeugt in dem Werkstück ein
Schmelzbad. Vorzugsweise bewirkt der Laserstrahl ähnlich dem Tiefschweißen die Ausbildung einer Dampfkapillare im Werkstück, die von Schmelzbad umflossen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun durch den Einsatz des Schneidgasstroms verhindert, dass das schmelzflüssige Material hinter dem Laserstrahl wieder erstarrt. Vielmehr wird das schmelzflüssige Material ausgeblasen und eine Schneidfuge bzw. Schneidkerbe entsteht im Werkstück. Bedingt durch die Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstelle und Werkstück wandert die Schneidfuge bzw. -kerbe durch das Werkstück.
Vorteilhafter Weise sind keine Änderungen an der Laserstrahlführung oder Optik notwendig. Es kann mit dem für das Schweißen ausgelegten Laserstrahl gearbeitet werden.
Die Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstelle und Werkstück kann realisiert werden durch eine Bewegung des Werkstücks oder durch eine Bewegung des Laserstrahls und des Schneidgasstroms oder durch eine kombinierte Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls und des Schneidgasstroms. Die Relativbewegung kann durch eine Bewegung der Scanneroptik und der
Schneidgasdüse oder durch eine kombinierte Bewegung sowohl der Scanneroptik und der Schneidgasdüse als auch des Werkstücks erfolgen.
Die Schneidkontur kann einen bahnförmigen Verlauf aufweisen, z.B. gerade oder kurvige Bahnen. Die Schneidkontur kann ebenso eine geschlossene Struktur, wie z.B. ein Kreis, Vier- oder Mehreck oder eine sonstige geometrische Figur sein. Es können auch mehrere Schneidkonturen in dem Werkstück ausgebildet werden, die z.B. räumlich voneinander beabstandet sein können oder aneinander angrenzen können.
Das Werkstück kann aus einem einzigen Bauteil bestehen oder mehrere zu einer Baugruppe verbundene Bauteile aufweisen. Die Bauteile können z.B. Bleche, dreidimensionale Formkörper oder Profile sein. Insbesondere kann es sich um Fahrzeugkarosseriebauteile handeln. Die Bauteile bzw. zumindest ein Bauteil können z.B. aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, wie z.B.
Aluminium, Stahl oder Stahl- bzw. Aluminiumlegierungen. Weitere Materialien sind möglich. Die Bauteile können z.B. eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 4 mm aufweisen, vorzugsweise im Bereich von 0,7 mm bis 1 ,5 mm.
Besonders gleichbleibende Bedingungen für das Ausblasen des schmelzflüssigen Materials ergeben sich, wenn der Laserstrahl und der Schneidgasstrom während des Schneidens relativ zueinander ortsfest angeordnet sind. Vorzugsweise kann hierzu der Laserstrahl mittels der Scanneroptik zum Schneidgasstrom positioniert werden und für die Dauer des Schneidvorgangs können die Scannerachsen starr gestellt werden. Zur Vermeidung einer ungewollten Rückreflektion wird der Laserstrahl z.B.
vorzugsweise stechend auf das Werkstück gerichtet. Beispielsweise kann der Laserstrahl zwischen 0 und 5 Grad gegenüber der Senkrechten auf die
Werkstückoberfläche geneigt sein.
Der Austrag des geschmolzenen Materials von der Bearbeitungsstelle kann verbessert werden, indem der Schneidgasstrom schleppend zugeführt wird.
Beispielsweise kann der Schneidgasstrom unter einem Winkel zum auftreffenden Laserstrahl im Bereich von größer 0 Grad bis maximal 45 Grad, vorzugsweise im Bereich von 5 Grad bis 45 Grad. Das Schneidgas drückt somit die Schmelze nach hinten unten aus der Schneidfuge heraus, wodurch die Qualität der
Schnittkanten verbessert werden kann.
Als Schneidgas wird z.B. Druckluft oder ein Inertgas, wie z.B. Stickstoff, verwendet, alternativ können andere Gase verwendet werden. Zur Erzielung eines optimalen Austrags des geschmolzenen Materials aus der Schneidfuge kann das Schneidgas z.B. mit einem Druck von 300 kPa oder mehr, vorzugsweise mit einem Druck von 300 kPa bis 3000 kPa oder von 500 kPa bis 2000 kPa der Bearbeitungsstelle zugeführt werden.
Zur Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich möglicher Schneidgeometrien erfolgt die Bewegung der Bearbeitungsstelle relativ zu dem Werkstück vorzugsweise mittels eines mehrachsigen Industrieroboters, wie z.B. einem Portalroboter oder einem Gelenkarmroboter mit z.B. fünf, sechs oder mehr Achsen.
Vorteilhafter Weise kann mit dem bereitgestellten Laserstrahl nicht nur
geschnitten, sondern auch eine Schweißnaht in dem Werkstück ausgebildet werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den Schneidgasstrom für die Dauer der Schweißung zu unterbrechen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden weist eine scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung auf, die zumindest eine Laserquelle, eine Strahlführungseinrichtung, und eine Scanneroptik zur
Positionierung und Fokussierung eines Laserstrahls auf eine Bearbeitungsstelle eines Werkstück beinhaltet. Weiterhin weist die Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden eine Schneidgasdüse auf, die eingerichtet ist zum
Ausblasen von schmelzflüssigem Material aus der Bearbeitungsstelle.
Die scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung ist eingerichtet um einen für das Schweißen optimierten Laserstrahl bereitzustellen. Der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl wird über die Strahlführungseinrichtung, die je nach verwendeter Laserquelle eine oder mehrere Lichtleitfasern und/oder ein Spiegelsystem aufweisen kann, in die Scanneroptik eingekoppelt. Innerhalb der Scanneroptik erfolgt die Strahlformung und -fokussierung, sowie das Positionieren des Laserstrahls auf dem Werkstück.
Vorzugsweise ist die Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung für das Schweißen des Werkstücks konzipiert. Die Scanneroptik und die Strahlführungseinrichtung sind entsprechend eingerichtet, um einen für diesen Einsatzbereich geeigneten Laserstrahl bereitzustellen.
Durch Integration einer Schneidgasdüse an die Remote- Laserstrahlschweißvorrichtung wird es ermöglicht, schmelzflüssiges Material aus der Bearbeitungsstelle auszutragen und somit nicht nur zu Schweißen, sondern auch Kerben bzw. Schnitte im Werkstück auszubilden. Hierzu wird ein
Schneidgasstrom durch die Schneidgasdüse auf die Bearbeitungsstelle gerichtet. Der Schneidgasstrom treibt bzw. bläst das von dem Laserstrahl erzeugte schmelzflüssige Material aus der Bearbeitungsstelle aus.
Die Schneidgasdüse ist z.B. über eine Gaszuleitung mit einer
Schneidgaszuführeinrichtung verbunden, so dass der Schneidgasstrom mit dem erforderlichen Druck und dem gewünschten Volumenstrom bereitgestellt werden kann.
Vorzugsweise ist die Schneidgasdüse im Arbeitsfeld der Scanneroptik angeordnet. Hierdurch kann die Schneidgasdüse sowohl nahe am Werkstück zur Verringerung des notwendigen Schneidgasvolumenstroms angeordnet sein, als auch in einem spitzen Winkel zum Laserstrahl angeordnet werden, wodurch die
Austriebsbedingungen der Schmelze verbessert werden. Eine hinsichtlich Gasverbrauch optimierte Anordnung der Schneidgasdüse ergibt sich, wenn die Austrittsöffnung der Schneidgasdüse in einem Bereich von 1 cm bis 3 cm beabstandet zur Bearbeitungsstelle angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann weiterhin einen mehrachsigen Industrieroboter, z.B. einen Portalroboter oder einen Gelenkarmroboter, aufweisen, an dem die Scanneroptik angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Gelenkarmroboter fünf, sechs oder mehr Achsen auf. Der mehrachsige Industrieroboter ermöglicht zusätzliche
Bewegungen der Scanneroptik und damit höhere Bewegungsfreiräume bei der Werkstückbearbeitung, insbesondere bei der Schneidkonturbearbeitung. Wenn die Schneidgasdüse relativ zur Scanneroptik ortsfest angeordnet ist, dann werden Scanneroptik und Schneidgasdüse von dem Industrieroboter vorzugsweise gemeinsam bewegt.
Vorzugsweise sind die Schneidgasdüse und die Scanneroptik relativ zueinander ortsfest angeordnet. Beispielsweise kann die Schneidgasdüse an der
Scanneroptik befestigt sein oder Schneidgasdüse und Scanneroptik können an einer gemeinsamen Halterung befestigt sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Bewegung der Schneidgasdüse entlang der Schneidkontur.
Insbesondere können Schneidgasdüse und Scanneroptik gemeinsam an dem Industrieroboter angeordnet sein, z.B. an derselben Handachse befestigt sein.
Die Schneidgasdüse kann um den Laserstrahl ausgebildet sein, so dass der Schneidgasstrom um den Laserstrahl herum austritt. Alternativ kann die
Schneidgasdüse neben dem Laserstrahl angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Schneidgasdüse in Schneidrichtung vor dem Laserstrahl angeordnet.
Der Schneidgasstrom wird vorzugsweise schleppend zum Laserstrahl geführt, so dass der Schneidgasstrom die Schmelze entgegen der Schneidrichtung ausblasen kann. Hierzu kann z.B. die Längsachse der Schneidgasdüse unter einem Winkel zur Längsachse des auf das Werkstück auftreffenden Laserstrahls angeordnet sein, der in einem Bereich von mehr als 0 Grad und maximal 45 Grad liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 15 Grad bis 45 Grad.
Weiterhin kann die Vorrichtung eine Kontrollvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Scannerachsen während des Schneidprozesses starr zu stellen. Hierdurch kann der Laserstrahl während des Schneidprozesses relativ zum Schneidgasstrom ortsfest angeordnet werden, wodurch sich besonders gleichbleibende Bedingungen an der Bearbeitungsstelle ergeben. Die
Kontrollvorrichtung kann vorzugsweise auch die Laserquelle und Fokussieroptik sowie die Bewegung des Industrieroboters steuern bzw. regeln. Ebenso kann die Schneidgaszufuhr von der Kontrollvorrichtung gesteuert werden.
Vorzugsweise weist die Laserquelle einen Festkörperlaser, insbesondere einen Scheiben- oder Faserlaser auf, wodurch sich eine geringe Reflexion der Strahlung an metallischen Bauteilen und ein verbesserter Energieeintrag ergibt. Die
Strahlführeinrichtung weist vorzugsweise ein oder mehrere Laserlichtkabel auf. Diese ermöglichen eine flexible Führung des Laserlichts zur Scanneroptik.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ebenso für das Schweißen geeignet und kann zum Ausbilden einer Schweißnaht in dem Werkstück verwendet werden. Hierzu kann die Schneidgasdüse für die Dauer der Schweißung außer Betrieb geschaltet werden. Alternativ kann die Schneidgasdüse abmontiert werden, hierzu kann sie z.B. lösbar an der Vorrichtung bzw. an der Scanneroptik befestigt sein.
Mit anderen Worten wird durch Integration einer Schneidgasdüse an die
Scanneroptik einer Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung ein
Kombinationsverfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen und
Laserstrahlschneiden bereitgestellt. Der Schneidgasstrahl wird über die
Scanneroptik auf den Auftreffpunkt des Laserstrahls gerichtet und die
Scannerachsen werden starr gestellt. Die Schneidbewegung kann über die sechs Achsen eines Robotersystems realisiert werden.
Vorteilhafter Weise kann die Scanneroptik der Remote- Laserstrahlschweißvorrichtung verwendet werden. Bis auf die Schneidgasdüse ist keine zusätzliche Systemtechnik notwendig. Ein Kombinationsverfahren aus Schneiden und Schweißen ist ohne weiteren Zusatzaufwand möglich. Somit ist eine Generierung von Varianten ohne spezielle aufwendige Sondersystemtechnik und ohne zusätzliche Kostenaufwände und ohne zusätzlichen Flächenbedarf möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der
Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden wird en Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden
Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 0 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der Scanneroptik mit daran angeordneter Schneidgasdüse der Vorrichtung aus Figur 1.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung mit einer Laserquelle 00 mit einem Festkörperlaser. Die von der Laserquelle 00 erzeugte Laserstrahlung wird mittels einer Strahlführungseinrichtung 1 10 in Form einer oder mehrerer Glasfasern zu einer Scanneroptik 120 geleitet und dort eingekoppelt. Die Scanneroptik 120 beinhaltet nicht dargestellte Spiegel zur Lenkung des
Laserstrahls sowie Strahlformungsmittel. Mittels der Scanneroptik 120 wird der Laserstrahl L auf das Werkstück 200 gerichtet und fokussiert. Die Scanneroptik 120 ist an der Handachse eines Gelenkarmroboters 130 angeordnet. Der
Gelenkarmroboter 130 weist sechs Bewegungsachsen auf, angedeutet durch die Doppelpfeile in Figur 1. Mittels des Roboters 130 kann die Scanneroptik 120 über ein Werkstück 200 geführt werden. Das Werkstück 200 ist auf einer
Werkstückaufnahme 210 angeordnet und mittels nicht dargestellter
Spannelemente fixiert.
Weiterhin ist an der Scanneroptik 120 eine Schneidgasdüse 140 mittels einer Halterung 150 befestigt. Die Schneidgasdüse 140 ist über eine Gasleitung 160 mit einer Gaszuführvorrichtung 170 verbunden. Aus der Schneidgasdüse 140 trifft ein Schneidgasstrom S auf das Werkstück 200 an einer Bearbeitungsstelle 220 auf.
Für das Ausbilden einer Schnittlinie im Werkstück 200 wird der von der Remote- Schweißvorrichtung bereitgestellte Laserstrahl L ebenfalls auf die Bearbeitungsstelle 220 auf dem Werkstück 200 gerichtet. Hierzu wird der
Laserstrahl L mittels der Scannervorrichtung 120 durch Bewegung der
Scannerspiegel positioniert. Laserstrahl L und Schneidgasstrom S treffen dann auf dieselbe Bearbeitungsstelle 220 auf. Da der Laserstrahl L von einer für das Schweißen ausgelegten Anlage bereitgestellt wird, weist er für das Schweißen typische Strahlparameter auf, insbesondere einen typischen
Strahlfleckdurchmesser. Der Laserstrahl bewirkt das Ausbilden einer
Dampfkapillare und eines angrenzenden Schmelzbads im Werkstück 200. Der Schneidgasstrom S bläst das schmelzflüssige Material aus der Bearbeitungsstelle 220 aus, so dass eine Schneidfuge bzw. Schneidkerbe im Werkstück entsteht.
Nach dem Positionieren des Laserstrahls L in Relation zum Schneidgasstrom S bzw. zur Schneidgasdüse 140 werden die Scannerachsen der Scanneroptik 120 starr gestellt. Dies kann durch eine Kontrollvorrichtung 180 der Remote- Laserstrahlschweißvorrichtung erfolgen, die beispielsweise auch die Bewegungen des Roboters 30 und/oder die Laserquelle 00 steuern bzw. regeln kann.
Laserstrahl L und Schneidgasstrom S sind dann relativ zueinander ortsfest angeordnet.
Zum Ausbilden einer Schnittlinie entlang einer Schneidkontur wird die
Scanneroptik 120 mitsamt Schneidgasdüse 140 von dem Roboter 130 über das Werkstück 200 bewegt.
Figur 2 zeigt eine Detailansicht der Scanneroptik 120 mit daran befestigter Schneidgasdüse 140. Die Schneidgasdüse 140 ist innerhalb des Arbeitsfelds 122 der Scanneroptik 120 angeordnet. Der Laserstrahl kann so in einem Winkel nahe 90 Grad auf das Werkstück treffen und gleichzeitig kann die Schneidgasdüse in großer Nähe zur Bearbeitungsstelle 220 angeordnet werden.
Der Laserstrahl L kann zur Vermeidung einer Rückreflektion nicht senkrecht auf das Werkstück positioniert sein, sondern kann um einen Winkel α gegenüber der Senkrechten geneigt sein. Der Winkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0 und 5 Grad.
Zur Verbesserung des Materialaustrags aus der Schneidfuge ist die
Schneidgasdüse 140 schleppend angeordnet. Der Schneidgasstrom S wird unter einem Winkel ß im Bereich von größer 0 Grad bis 45 Grad zum Laserstrahl L angeordnet. Der Schneidgasstrom kann von der Kontrollvorrichtung der Remote- Laserstrahlschweißvorrichtung gesteuert werden oder alternativ von einer eigenen Steuervorrichtung.
Das Ausführungsbeispiel ist nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend.
Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste:
10 Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden
100 Laserquelle
110 Strahiführungseinnchtung
120 Scanneroptik
130 Gelenkarmroboter
140 Schneidgasdüse
150 Halterung
160 Gasleitung
170 Gaszuführvorrichtung
180 Kontrollvorrichtung
200 Werkstück
210 Werkstückaufnahme
220 Bearbeitungsstelle
L Laserstrahl
S Schneidgasstrom
α, ß Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserstrahlschneiden eines Werkstücks bei dem
ein Laserstrahl (L) mittels einer scannerbasierten Remote- Laserstrahlschweißvorrichtung auf das Werkstück (200) gerichtet wird und ein Schmelzbad an einer Bearbeitungsstelle (220) erzeugt,
ein Schneidgasstrom (S) auf die Bearbeitungsstelle (220) gerichtet wird zum Ausblasen von schmelzflüssigem Material aus der Bearbeitungsstelle (220),
eine Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstelle (220) und Werkstück (200) entlang einer Schneidkontur erfolgt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , bei dem
der Laserstrahl (L) und der Schneidgasstrom (S) während des Schneidens relativ zueinander ortsfest angeordnet sind.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem
der Laserstrahl (L) stechend auf das Werkstück (200) gerichtet wird, insbesondere unter einem Winkel zwischen 0 Grad und 5 Grad.
4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei dem
der Schneidgasstrom (S) schleppend zugeführt wird, insbesondere unter einem Winkel zum auftreffenden Laserstrahl (L) im Bereich von mehr als 0 Grad bis maximal 45 Grad, oder von 15 Grad bis 45 Grad.
5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei dem das
Schneidgas mit einem Druck von 300 kPa oder mehr, insbesondere mit einem Druck von 300 kPa bis 3000 kPa oder von 500 kPa bis 2000 kPa der
Bearbeitungsstelle (220) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei dem die Bewegung der Bearbeitungsstelle (220) relativ zu dem Werkstück (200) mittels eines mehrachsigen Industrieroboters (130) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6,
bei dem mit dem Laserstrahl (L) weiterhin eine Schweißnaht in dem Werkstück (200) ausgebildet wird.
8. Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden mit:
einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlschweißvorrichtung, die zumindest eine Laserquelle (100), eine Strahlführungseinrichtung (110) und eine
Scanneroptik (120) zur Positionierung und Fokussierung eines Laserstrahls (L) auf eine Bearbeitungsstelle (220) eines Werkstück (200) beinhaltet, und
einer Schneidgasdüse (140) eingerichtet zum Ausblasen von schmelzflüssigem Material aus der Bearbeitungsstelle (220).
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, bei der
die Schneidgasdüse (220) im Arbeitsfeld (122) der Scanneroptik (120) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 8 oder 9, bei der
eine Gasaustrittsöffnung der Schneiddüse (140) in einem Bereich von 1 cm bis 3 cm beabstandet zur Bearbeitungsstelle angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Patenansprüche 8 bis 10, weiterhin mit einem mehrachsigen Industrieroboter (130), an dem die Scanneroptik (120) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 8 bis 11 , bei der
die Schneidgasdüse (140) und die Scanneroptik (120) relativ zueinander ortsfest angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Patenansprüche 8 bis 12, bei der
die Schneidgasdüse ( 40) in Schneidrichtung vor dem Laserstrahl (L) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Patenansprüche 8 bis 13, mit einer
Kontrollvorrichtung (180), die eingerichtet ist die Scannerachsen während des Schneidprozesses starr zu stellen.
15. Vorrichtung nach einem der Patenansprüche 8 bis 14, bei der
die Laserquelle (100) einen Festkörperlaser, insbesondere einen Scheiben- oder Faserlaser, aufweist.
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